KR101591712B1 - Binders in anode materials of lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고용량 음극재인 실리콘, 실리콘-카본 복합체, 실리콘합금계-카본 전극 활물질 각각에 대해 팽창을 저감하고, 활물질 입자간의 결합 및 집전체와의 결착력이 우수하며, 사이클 수명 특성 등 이차전지 성능을 우수하게 하는 각각의 활물질에 적합한 리튬이차전지 음극용 바인더에 관한 것이다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 음극용 바인더는 실리콘 80wt%에 카본 20wt%를 첨가한 복합체 이차전지 음극 활물질의 바인더로, 수계 저분자량 450,000인(중합도 5000) 폴리아크릴산에 카르복시메틸셀룰로즈를 중량비 6:2로 첨가한 것을 특징으로 한다.
The present invention reduces the expansion of each of the silicon, silicon-carbon composite, and silicon alloy-carbon electrode active material, which is a high-capacity anode material, and is excellent in bonding strength between the active material particles and the collector, And more particularly to a binder for a lithium secondary battery negative electrode suitable for each active material to be excellent.
The binder for a lithium secondary battery negative electrode according to the present invention is a binder for an anode active material of a composite secondary battery to which 20 wt% of carbon is added to 80 wt% of silicon, and carboxymethyl cellulose is mixed with polyacrylic acid having a low water molecular weight of 450,000 .

Description

리튬이차전지 음극용 바인더{Binders in anode materials of lithium secondary battery}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a binder for lithium secondary batteries,

본 발명은 리튬이차 전지의 고용량을 갖는 음극재로 실리콘(Si), 실리콘-카본(Si-C) 복합체 및 실리콘합금(Si alloy)계-카본 복합체를 사용할 때 접착력이 우수하고 분산성이 양호하며 높은 용량의 사이클 수명 및 팽창율을 갖는 바인더에 관한 것으로서, 특히, 수계인 폴리아크릴산(PAA, polyacrylic acid)의 관능기인 수산기(OH)를 리튬(Li)으로 치환한 폴리아크릴리튬(PAALi), 수계 저분자량을 갖는 폴리아크릴산에 접착성 향상을 위한 조절제로 카르복시메틸셀룰로즈(CMC)를 혼합하거나, 폴리아미드이미드(PAI, polyamidimid)나 폴리아미드이미드에 바인더이면서 분산제 역할을 할 수 있는 하이드록시프로필셀룰로즈(HPC)를 첨가한 경우, 상기 바인더를 이용하여 제조한 전극용슬러리, 상기 슬러리를 이용하여 제조된 전극 및 상기 전극으로 이루어진 리튬이차전지 음극용 바인더에 관한 것이다.
The present invention relates to a negative electrode material having a high capacity of a lithium secondary battery and excellent in adhesion and dispersibility when a silicon (Si), a silicon-carbon (Si-C) composite and a silicon alloy- (PAALi) in which a hydroxyl group (OH), which is a functional group of a water-based polyacrylic acid (PAA), is substituted with lithium (LiAl), and a binder having a high capacity cycle life and an expansion ratio. (CMC) as a modifier for improving the adhesion property to polyacrylic acid having a molecular weight, hydroxypropylcellulose (HPC) capable of acting as a dispersant in a polyamideimide (PAI) or polyamideimide, ), A slurry for an electrode prepared using the binder, an electrode made using the slurry, and a lithium secondary battery negative electrode made of the electrode It relates to a binder.

최근 리튬이온 이차전지가 전기자동차와 신재생에너지의 에너지저장용에 사용되면서, 기존의 가정용의 소형 중심에서 고용량, 고출력, 장수명, 고안정성을 갖는 중대형으로 발전해 가고 있다. 이러한 중대형 리튬이온 이차전지는 높은 에너지밀도를 갖으면서 경박단소화 되어야 하고 또한 저가화 되어야 상용화 될 수 있다. Recently, lithium-ion secondary batteries are being developed for use in electric vehicles and energy storage of renewable energy, and they are being developed into medium- and large-sized batteries with a high capacity, high output, long life, and high stability in a small-sized center of a conventional home. Such a middle- or large-sized lithium ion secondary battery should have a high energy density, be thin and short, and be low cost so that it can be commercialized.

그러나 기존의 소형 리튬이온 이차전지에서 전극재는 양극으로 리튬코발트 산화물과 리튬망간산화물이, 음극으로는 흑연계가 주로 사용되고 있었다. 그리고 이들 전극재를 슬러리(slurry)나 쉬트(sheet)로 성형할 수 있게끔 하는 바인더는 현재, 카본 음극재의 경우는 카본의 전도성이 우수하여 소량의 바인더를 사용함으로서 바인더에 의한 전도성이 크게 영향을 받지 않았었다. 일반적으로 카본에는 스타디엔-부타디엔고무(SBR)와 결합력이 우수한 폴리비닐리덴플루오라이드(poly vinyliden floureid-PVDF) 바인더가 팽창이 거의 없어 주로 많이 사용되어왔다. However, in the conventional small-sized lithium ion secondary battery, lithium cobalt oxide and lithium manganese oxide were used as an anode and a graphite system was used as an anode. In the case of a carbon anode material, since the conductivity of carbon is excellent and a small amount of binder is used, the conductivity of the binder is greatly influenced by the binder used to form the electrode material into a slurry or a sheet. I did not. In general, polyvinylidene fluoride (PVDF) binders having excellent bonding strength with stadiene-butadiene rubber (SBR) have been mainly used for carbon because they have almost no swelling.

고용량 음극재인 실리콘이나 실리콘-카본 복합체, 실리콘합금계-카본 복합체등은 현재의 바인더인 폴리비닐리덴플르오라이드와 스타디엔-부타디엔고무를 사용할 경우 결착력 유지를 위해 과량의 바인더를 사용하여야 하고, 이에 따라 전기전도도가 매우 낮아지게 되어 사이클수명이 크게 저하되고, 또한 프로필렌카보네이트, 다이메톡시에테인과 같은 대부분의 유기 전해질들과 반응하여 팽창한다. 즉 유계 바인더인 폴리비닐리덴플루오라이드는 선결합으로 결착력이 약해져서 떨어져나가 팽창하여 음극재 입자가 금(crack)이 갈 수 있는 여지를 충분히 가지고 있고, 수계 바인더인 스타디엔-부타디엔고무는 코팅형태를 갖어우수한 탄성력을 가지나, 상대적으로 약한 결착력을 갖고 있다. In the case of using the current binder polyvinylidene fluoride and stadiene-butadiene rubber such as silicone, silicon-carbon composite and silicon alloy-carbon composite, which are high-capacity cathode materials, an excessive amount of binder should be used for maintaining the binding power. The electric conductivity is extremely lowered, and the cycle life is significantly lowered. In addition, it expands due to reaction with most organic electrolytes such as propylene carbonate and dimethoxyethane. In other words, the polyvinylidene fluoride as a binder of the binder has a weak binding force due to the linear bonding and is expanded and expanded so that the negative electrode particles have a sufficient space for cracking, and the aqueous binder, stadiene-butadiene rubber, But has a relatively weak binding force.

또한 실리콘은 현재 주요 음극재인 흑연에 비해 10배 이상의 용량(이론 용량 약 4200mAh/g)을 갖고 있으나, 리튬이온들이 실리콘 음극재와 층간삽입(intercalate)을 할때, 실리콘 음극재와 합금을 형성할 수 있어서, 충방전 반복시 리튬이온의 탈삽입으로 체적 변화가 300%이상 발생하게 된다. 그런데 음극에 사용되는 바인더는 음극활물질 입자와 입자를 가교해주는 역할과 집전체와 부착해주는 기능을 하고 있으므로 바인더가 음극재에 적합하지 못하면, 구조 파괴, 벗겨짐이나 변형이 일어나게 되고 이로 인해 용량과 사이클 수명이 급격히 낮아지는 경향이 있으나, 바인더의 탄성이나 점결합 특성을 이용하면 음극재 활물질의 부피팽창을 크게 감소시킬 수도 있다.In addition, silicon has a capacity (theoretical capacity of about 4200 mAh / g) more than 10 times that of graphite, which is the main anode material. However, when lithium ions intercalate with a silicon anode material, Therefore, when the battery is repeatedly charged and discharged, the volume change of 300% or more occurs due to the lithium ion intercalation. However, since the binder used for the negative electrode has the function of crosslinking the particles of the negative electrode active material and the function of adhering to the collector, if the binder is not suitable for the negative electrode material, the structure is broken, peeled or deformed, The volume expansion of the negative electrode active material may be greatly reduced by using the elasticity of the binder and the point binding property.

따라서, 전기자동차나 전력저장용 중대형 리튬이온 이차전지의 상용화를 가능케하는 음극을 제조하기 위해서는 바인더의 개발이 필수적으로 이루어져야 한다. 바인더는 바인더의 종류, 양, 분자량, 가교밀도와 용매에 따라 충방전 프로파일(profile), 팽윤(swelling)과 리튬 이동저항, 전류-전압 피크(C-V peak) 세기 및 위치에 영향을 받는다. 또한, 집전체에서의 음극 쉬트(sheet)의 벗겨짐, 박리 및 변형에도 영향을 주므로 이를 고려하여 개발할 필요가 있다. Therefore, in order to manufacture a negative electrode capable of commercialization of an electric vehicle or a mid-sized lithium ion secondary battery for electric power storage, the development of a binder must be made indispensable. The binder is influenced by charge and discharge profile, swelling and lithium migration resistance, and intensity and location of C-V peak depending on binder type, amount, molecular weight, crosslinking density and solvent. In addition, it affects peeling, peeling, and deformation of the negative electrode sheet in the current collector, so it needs to be developed in consideration of this.

현재 개발되고 있는 고용량의 음극재로는 탄소용량의 5배 이상인 실리콘과 리튬, 2~3배이상인 실리콘합금, 리튬합금, 질화리튬-전이금속계, 실리콘산화물, 비정질 주석복합산화물계 및 전이금속 바나듐산화물계등이 활발히 연구되고 있으나 현재까지는 적합한 바인더로 일부연구자들이 문헌 [1-3]처럼 보고하고 있다.As the high-capacity anode materials being developed at present, there are silicon and lithium having a carbon content of 5 times or more and silicon, lithium alloy, lithium alloy, lithium nitride-transition metal, silicon oxide, amorphous tin composite oxide and transition metal vanadium oxide However, to date, some binders have been reported by some researchers as [1-3].

[문헌 1] [Document 1]

Gao Liu(Advanced Materials 23, 4679 (2011))는 바인더로서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 전기전도도가 우수한 폴리다이옥틸플루오렌코플루오렌코메틸벤조익에스터(PFFOMB) 바인더를 사용하여 14 사이클까지 충방전을 수행한 결과 2520mAh/g 용량을 유지할 수 있다고 보고한 바 있다.Gao Liu (Advanced Materials 23, 4679 (2011)) discloses a polyvinylidene fluoride (PVdF), a polyacrylonitrile (PAN), and a polydioctylfluorene cofluorene comonomethylbenzoic ester PFFOMB) binder to charge and discharge up to 14 cycles to maintain a capacity of 2520 mAh / g.

[문헌 2][Document 2]

N.S.Choi(J. Power Source, 187, 590 (2008))는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)와 폴리아미드이미드(PAI) 바인더를 비교 실험한 결과 폴리비닐리덴플루오라이드는 초기효율 28.3%, 팽창 221%이나 폴리아미드이미드는 초기효율 74.9%, 팽창 160%로 더 우수하다고 하였다. 그러나 위에서 언급했듯이 실리콘계에 대해 우수한 특성을 갖는 폴리아미드이미드는 집전체와의 코팅 후 300이상의 고온진공분위기에서 장시간 열처리를 해야하기 때문에 생산성이 크게 저하되고, EH한 환경적으로도 유계로서 유해성을 갖고 있는 문제점이 있다.NSChoi (J Power Source, 187, 590 (2008)) compared polyvinylidene fluoride (PVDF) with polyamideimide (PAI) binder and found polyvinylidene fluoride has an initial efficiency of 28.3%, expansion 221 % Or polyamide imide was better at 74.9% initial efficiency and 160% expansion. However, as mentioned above, the polyamide imide having excellent properties for the silicone system is required to be subjected to heat treatment for a long time in a high-temperature vacuum atmosphere of 300 or more after coating with the current collector, so that the productivity is greatly lowered and EH is environmentally harmful There is a problem.

[문헌 3][Document 3]

Alexandre Magasinski(ACS Appl. Mater. 2 (2010) 3004)는 실리콘나노(Si nano) 입자 음극재에 대해 폴리아크릴산(PAA) 바인더를 사용 실리콘나노입자 : 도전재(Carbon black) : 바인더의 비를 43 : 42 : 15로 한 결과 폴리아크릴산(PAA) 바인더의 경우 100사이클에서 2000mAh/g(쿨롱효율 70%)이었고, 탄소코팅된 실리콘(C coated Si) : 도전재(Carbon black) : 바인더의 비를 17 : 43 : 25 : 15로 할때 2500mAh/g(쿨롱효율 75%)로 사이클 수명이 높게 나타났으나 카르복시메틸셀룰로즈와 폴리비닐리덴플루오라이드를 바인더로 사용시는 50사이클에서 각각 800mAh/g, 100mAh/g 로 급격한 용량감소를 나타낸다고 보고하였다.Alexander Magasinski (ACS Appl. Mater. 2 (2010) 3004) uses a polyacrylic acid (PAA) binder for the silicon nano particle anode material. The ratio of silicon nanoparticles: Carbon black: binder is 43 : 42: 15. As a result, it was found that the binder ratio of polyacrylic acid (PAA) was 2000 mAh / g (coulombic efficiency 70%) at 100 cycles and the ratio of carbon coated carbon: The cycle life was high at 2500 mAh / g (75% coulombic efficiency) at 17: 43: 25: 15. When carboxymethylcellulose and polyvinylidene fluoride were used as binders, they were 800 mAh / g and 100 mAh / g. < / RTI >

이들의 연구에서는 실리콘입자가 나노크기이어야 하고 고가의 도전재를 사용할 때, 생산성이 저하된다거나 사이클이 너무 짧거나 팽창이 너무 크거나 도전재 양이 너무 많아 상용화하기에는 불충분하다. 그런데도 불구하고 실리콘 단독은 물론이거니와 저가의 천연카본을 사용 실리콘-카본 복합체, 실리콘합금계-카본복합체에 대한 적합한 바인더가 보고되지 않고 있다.
In these studies, silicon particles have to be nano-sized, and when using expensive conductive materials, the productivity is reduced, the cycle is too short, the expansion is too large, or the amount of the conductive material is too large to be commercialized. Nonetheless, no suitable binder for silicon-carbon composites and silicon alloy-carbon composites using low cost natural carbon as well as silicon alone has been reported.

본 발명의 목적은 고용량을 갖는 활물질로 90중량퍼센트 실리콘 나노입자와 10중량퍼센트 도전재인 블랙카본을 혼합했을 때, 활물질로 10~20중량퍼센트 실리콘 나노 입자와 90~80중량퍼센트 탄소 입자를 복합화했을 때, 실리콘합금계 활물질로 45~92 중량퍼센트일 때 활물질인 합금 구성이 실리콘 함량이 66~69중량 퍼센트이고 나머지 Ni과 Fe 및 Ti일 때, 8~45중량 퍼센트 탄소로 복합화했을 때 사용되어야 할 여러 종류의 바인더 중에 가장 적합한 바인더, 즉 활물질 입자들의 분산, 결합과 집전체와 전극 sheet와의 결착이 우수한 바인더 또한 리튬이온 이차전지 음극의 용량, 초기 효율 및 사이클수명이 가장 우수한 바인더를 발명하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a high-capacity active material which, when mixed with 90 weight percent silicon nanoparticles and black carbon as a 10 weight percent conductive material, combines 10 to 20 weight percent silicon nanoparticles and 90 to 80 weight percent carbon particles with an active material When the silicon alloy active material is 45 to 92 weight percent, the active alloy composition should be used when the silicon content is 66 to 69 weight percent and the balance Ni, Fe and Ti is 8 to 45 weight percent carbon The present inventors have invented a binder having the best capacity, initial efficiency, and cycle life of a lithium ion secondary battery cathode, which is the most suitable binder among various kinds of binders, that is, a binder excellent in dispersion and bonding of active material particles and binding between a current collector and an electrode sheet.

본 발명은 리튬이차전지의 고용량을 갖는 음극재로 실리콘, 실리콘-카본 복합체 및 실리콘합금계-카본 복합체를 사용할 때 높은 초기용량과 사이클을 반복한 후에도 용량을 유지할 수 있게끔 하기 위해 현재까지 사용한 것 중에 활물질 입자와 입자의 강한 결합과 집전체와 강한 접착력을 가지면서 팽창을 저감할 수 있는 선형, 또는 코팅결합보다는 점결합할 수 있는 바인더를 선정하여 이를 변형시키거나 혼합 사용함으로써 도 2, 3, 7, 12<표 1,2,3,4,>와 같이 사이클 중에 리튬과 실리콘이 반응하여 팽창을 저감한 바인더를 발명하는 것이다. 또한 활물질 입자와 도전제의 분산 그리고 바인더의 분산이 양호한 바인더를 발명하는 것이다.The present invention relates to an anode material having a high capacity of a lithium secondary battery, and a method of using the silicon material, the silicon-carbon composite material, and the silicon alloy-carbon composite material, in order to maintain the capacity even after repeating a high initial capacity and cycle, 2, 3, and 7 by selecting a binder which can strongly bond the active material particles to the particles and have a strong adhesive force with the current collector while reducing the expansion, , 12 < Tables 1, 2, 3, 4, >, lithium and silicon reacted during the cycle to reduce the expansion. And further to disperse the active material particles and the conductive agent and to disperse the binder.

본 발명의 바인더로는 수계 저분자 폴리아크릴산(분자량 450,000), 고분자 폴리아크릴산(분자량 : 1,000,000~1,250,000, 중합도 13000~18000)의 수산기를 리튬으로 치환한 고분자 폴리아크릴리튬, 폴리카르복시메틸셀룰로오즈, 유계인 폴리아미드이미드, 수·유계 동시 사용 가능한 하이드록실프로필셀룰로오즈가 있다. 이들을 단독 또는 한종이상 혼합 사용하였을 때 전지성능이 우수하고 팽창이 저감되는 바인더를 발명한 것이다.Examples of the binder of the present invention include a water-based low molecular weight polyacrylic acid (molecular weight: 450,000), a high molecular weight polyacrylic acid (molecular weight: 1,000,000 to 1,250,000, a polymerization degree of 13,000 to 18,000), a high molecular weight polyacrylic lithium substituted with a hydroxyl group of lithium, polycarboxymethyl cellulose, Amide imide, and hydroxylpropyl cellulose which can be used simultaneously in water and oil. The inventors of the present invention have invented a binder having excellent cell performance and reduced expansion when used singly or in combination.

이때 고분자 폴리아크릴산을 변형시켜 리튬을 포함한 경우는 폴리아크릴산100중량퍼센트를 기준으로 0.1~100중량부를 포함됨이 바람직며, 변형된 폴리아크릴리튬, 저분자폴리아크릴산, 폴리아미드이미드와 이와함께 첨가되는 점증제, 분산제인, 카르복시메틸셀룰로오즈, 하이드록실 프로필셀루로즈를 포함한 바인더 첨가량은 6~20중량퍼센트가 포함됨이 바람직하다.In this case, when the polymer polyacrylic acid is modified to include lithium, it is preferable that the polymeric polyacrylic acid includes 0.1 to 100 parts by weight based on 100 weight percent of polyacrylic acid, and the modified polyacrylic lithium, low molecular weight polyacrylic acid, polyamideimide, , A dispersant, carboxymethyl cellulose, hydroxylpropylcellulose, and the like is preferably 6 to 20 weight percent.

한편, 문헌 4의 Xiao Hua Liu(ACS Nano 6 (2012) 1522)에 의해 보고된 실리콘계의 경우 입자크기가 약 150나노미터 이하에서만 표면 입자 전체에 금(crack)이 발생하지 않는다고 하였다. 그러나 입자크기중 일차입자 크기가 150나노미터 정도이면 심한 뭉침(agglomeration) 현상이 발생하여 리튬이온의 이동을 저하시킴으로써 활물질로 사용하기 어려울 수 있다.On the other hand, according to the silicon system reported by Xiao Hua Liu (ACS Nano 6 (2012) 1522) in Document 4, cracks are not generated in the entire surface particles only when the particle size is about 150 nm or less. However, if the primary particle size of the particle size is about 150 nanometers, agglomeration may occur and it may be difficult to use the active material by lowering the migration of lithium ions.

따라서, 본 발명에서는 용매중에서 실리콘계 활물질들이 고르게 분산될 수 있도록 하고 또한 수계와 유계 바인더의 분산성이 향상될 수 있는 분산제 또는 바인더와 분산제 역할을 동시에 할 수 있는 하이드록시프로필셀룰로즈를 첨가하여 전지특성 향상을 시킨 바인더를 발명한 것이다. Accordingly, in the present invention, a dispersant or binder capable of uniformly dispersing the silicone-based active materials in the solvent and capable of improving the dispersibility of the water-based and oil-based binders, and hydroxypropyl cellulose, In the binder.

이때, 분산제의 첨가량은 전극 전체에서 3~7 중량퍼센트가 바람직하다. 또한 상기 바인더 및 분산제를 합하여 전체 전극물질 중량기준 6~20 중량퍼센트를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기한 전극 바인더 및 분산제와 실리콘 활물질(실리콘, 실리콘-카본복합체, 실리콘합금계-카본 복합체), 도전제(케첸블랙, 수퍼피)를 혼합한 후, 용매(물, NMP)를 첨가하여 슬러리화한 후 집전체에 코팅한 경우 충방전시 부반응의 억제 및 반응시 분해된 물질에 대해 리튬(Li)과 같은 치환물이 추가적인 전기적 반응이 형성(도 4 참조)되거나 집전체와의 결착력이 향상되는 리튬이온 이차전지 음극을 제공하고 또한 이들 음극을 포함하는 것으로 구성된 리튬이온 이차전지를 제공하는 것이다.
At this time, the amount of the dispersing agent to be added is preferably 3 to 7 weight percent throughout the electrode. It is preferable that the binder and the dispersing agent are included in an amount of 6 to 20 weight percent based on the total weight of the electrode material. (Water, NMP) is added after mixing the above-described electrode binder and dispersant with a silicon active material (silicon, silicon-carbon composite, silicon alloy-carbon composite) When the coating is applied to the current collector after the formation of the negative electrode, a side reaction during charging and discharging and an additional electrical reaction (see FIG. 4) for substitution such as lithium (Li) And a lithium ion secondary battery comprising the lithium ion secondary battery negative electrode and the negative electrode.

본 발명에 따르면, 리튬이온 이차전지의 충·방전시 실리콘계 전극활물질과 본 발명의 전극바인더를 혼합하여 슬러리 상태로 집전체에 코팅했을 때 실리콘계 입자의 균열을 억제할 수 있고, 또한 실리콘계 전극활물질 간의 부피 팽창으로 인한 거리 증가를 억제할 수 있었다. 또한, 반응시 분해된 물질인 리튬(Li)과 바인더의 치환체 작용기와 전기화학적으로 반응하여 새로운 리튬 합금상을 형성하여 사이클이 진행됨에 따른 산화 진행을 감소시킴으로써 사이클 수명 특성을 증가시키는 효과를 얻었다. 또한 본 발명의 전극 바인더와 전극 집전체 간의 적정한 접착력(adhesion force)을 갖게 하여 안정적인 전극을 구성하였다. According to the present invention, it is possible to suppress the cracking of the silicon-based particles when the silicon-based electrode active material and the electrode binder of the present invention are mixed with each other during the charging and discharging of the lithium ion secondary battery and coated on the current collector in a slurry state, The increase in distance due to the volume expansion could be suppressed. In addition, an effect of increasing cycle life characteristics is obtained by electrochemically reacting lithium (Li), which is a decomposed material in the reaction, with a substituent functional group of a binder to form a new lithium alloy phase, thereby reducing oxidation progression as the cycle progresses. In addition, an appropriate adhesion force between the electrode binder of the present invention and the current collector of the electrode is provided to form a stable electrode.

또한, 나노 크기의 실리콘 전극활물질, 또는 미크론 크기의 실리콘합금계와 카본등과 나노크기인 카본블랙 또는 케첸블랙, 수퍼피등의 도전제와 혼합이 분산제 첨가로 이들 물질이 고르고 균일성을 갖게 분포하여 이루어질 수 있었다. In addition, mixing of a nano-sized silicon electrode active material or a micron-sized silicon alloy system and a conductive agent such as carbon black or nano-sized carbon black or ketch-black or hydroprocessing agent is added with a dispersing agent to uniformly distribute these materials .

위와 같은 이유로 본 발명 음극재는 전지 설계 용량과 사이클 수명 특성이 개선되고, 또한 팽창율도 저하를 가져오는 효과를 얻었다.
For the above reasons, the negative electrode material of the present invention has improved battery design capacity and cycle life characteristics, and also has the effect of lowering the expansion ratio.

도 1은 폴리아크릴을 변형(modified)하여 합성한 폴리아크릴리튬 바인더의 적외선 분광 분석(Fourier transform infrared spectroscopy) 곡선 : 폴리아크릴산의 하이드록실기 흡광도가 감소하고 파수 3250cm-1의 알카리 금속이 결합된 피크의 흡광도가 나타남.
도 2는 폴리아크릴산을 변형한 바인더와 비교예 바인더를 사용했을 때 충방전 그래프.
도 3은 폴리아크릴산을 변형한 바인더와 비교예 바인더의 사이클 수명 특성.
도 4는 폴리아크릴산을 변형한 바인더와 비교예 바인더의 충방전 전,후 결정상 변화.
도 5는 폴리아크릴산 바인더의 충방전 전과 폴리아크릴리튬 바인더의 충방전 후 결정상 변화(500사이클 후).
도 6은 변형 바인더 폴리아크릴리튬 사용 제작한 음극에 대해 500 사이클 이후 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 전극의 표면 및 단면.
도 7은 음극재 실리콘-카본 복합체에 대한 바인더별 사이클 수명 특성 비교.
도 8은 음극재 실리콘 합금-카본 복합체 고온용 폴리아미드이미드 바인더를 대체키 위한 저온용 바인더에 대한 열분석(DSC) 그래프.
도 9는 실리콘-카본 복합체의 미세구조 및 결정성.
입자크기 : 5 ~ 15, 기공부피 : 0.03m2/g, 비표면적 2.9m2/g
도 10은 실리콘-카본 복합체, 실리콘합금-카본복합체에 사용된 카본시료.
평균입자크기 : 18, 비표면적 : 2.15m2/g, 결정성 : 단일상
도 11은 실리콘 합금계에서 바인더가 폴리아미드이미드로 사용될 때 전극조성에 따른 사이클 수명 특성(25회).
Figure 1 is a polyacrylonitrile modified (modified) by the infrared spectroscopic analysis of the synthesized lithium polyacrylate binder (Fourier transform infrared spectroscopy) Curve a of the polyacrylic acid hydroxyl group absorption is reduced and the wave number of 3250cm -1 alkali metal combined peak Of the absorbance.
Fig. 2 is a graph of charge / discharge when a binder modified with polyacrylic acid and a comparative binder are used.
3 shows the cycle life characteristics of a binder modified with polyacrylic acid and a comparative binder.
4 is a graph showing changes in the crystalline phases of the binder modified with polyacrylic acid and the comparative binder before and after charging and discharging.
FIG. 5 shows a change in the crystal phase (after 500 cycles) after charging / discharging of the polyacrylic acid binder and charging / discharging of the polyacrylic lithium binder.
6 shows the surface and cross-section of the electrode observed with a scanning electron microscope (SEM) after 500 cycles for the negative electrode prepared using the modified binder polyacrylic lithium.
7 is a comparison of the cycle life characteristics of the anode material silicon-carbon composite by binder.
8 is a thermal analysis (DSC) graph for a low temperature binder for replacing a polyamideimide binder for a high temperature of an anode material silicon alloy-carbon composite.
9 shows the microstructure and crystallinity of the silicon-carbon composite.
Particle size: 5 to 15, pore volume: 0.03 m 2 / g, specific surface area: 2.9 m 2 / g
10 is a carbon sample used in a silicon-carbon composite, a silicon alloy-carbon composite.
Average particle size: 18, specific surface area: 2.15 m 2 / g, crystallinity: single phase
11 shows cycle life characteristics (25 times) according to electrode composition when a binder is used as a polyamideimide in a silicon alloy system.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 더욱 상세히 설명하기로 한다.The present invention will be described in more detail so as to enable those skilled in the art to easily carry out the present invention.

본 발명은 고용량 음극재인 실리콘, 실리콘-카본 복합체 및 실리콘합금계-카본 복합체는 서로 다른 바인더가 필요하였다. 음극재 실리콘 단독은 폴리아크릴리튬바인더에서 우수한 특성을 나타냈으나 실리콘-카본 북합체에서는 도 7에 나타낸 것처럼 낮은 사이클 수명 특성을 나타내었고 실리콘합금계-카본 복합체에서도 폴리아크릴리튬 바인더는 사이클 수명이 급격히 감소하였다. 그래서 위에서 언급한 각각의 음극재 활물질에 적합한 바인더를 발명코자 하였다. The present invention requires different binders for silicon, silicon-carbon composites and silicon alloy-carbon composites of high capacity cathode materials. The negative electrode material alone exhibited excellent properties in the polyacrylic lithium binder, but exhibited low cycle life characteristics in the silicon-carbon bond composite as shown in Fig. 7, and the polyacrylic lithium binder in the silicon alloy- Respectively. Therefore, we have tried to invent a binder suitable for each of the anode active materials mentioned above.

우선, 실리콘에 적합한 폴리아크릴리튬 바인더는 실리콘에 대해 높은 결착력을 갖게하거나 전기화학적으로 반응하여 충방전 용량이 높고, 사이클 수명(용량 유지율)이 우수하며 팽창율이 낮은 음극용 바인더를 제공하는 것이다. 특히 폴리아크릴산에서 리튬 이온으로 치환한 폴리아크릴리튬 바인더는 전기화학적 반응의 주 반응물인 리튬의 첨가 및 전해질 사용 시 유기물 분해에 따른 음극과의 부반응 감소가 나타나 전기사이클 수명을 크게 향상시켰다. 폴리아크릴리튬 바인더의 중합도 13000 ~ 18000 (분자량 1,000,000 ~ 1,250,000)을 가지는 폴리아크릴산을 폴리아크릴리튬으로 변형시킨 것이다. 폴리아크릴산 바인더를 변형시킨 폴리아크릴리튬의 바람직한 최적 중합도는 15000 내지 16000(분자량 1,000,000 내지 1,250,000)이었다. 중합도가 13000미만인 경우 집전체와의 접착력이 충분치 못하고, 18000을 초과하는 경우에는 높은 점도로 인해 전극시트 제조가 어려웠다. First, a polyacrylic lithium binder suitable for silicon is to provide a binder for a negative electrode which has a high binding force to silicon or reacts electrochemically to have a high charge / discharge capacity, excellent cycle life (capacity retention rate) and low expansion rate. Particularly, the polyacrylic lithium binder substituted with lithium ion in polyacrylic acid significantly improved the life cycle of the electric cycle by the addition of lithium, which is the main reactant of the electrochemical reaction, and the side reaction with the negative electrode due to the decomposition of organic materials during the use of the electrolyte. Polyacrylic acid having a degree of polymerization of 13,000 to 18,000 (molecular weight: 1,000,000 to 1,250,000) of a polyacrylic lithium binder is modified with polyacrylic lithium. The optimum degree of polymerization of the polyacrylic lithium modified with the polyacrylic acid binder was 15,000 to 16,000 (molecular weight: 1,000,000 to 1,250,000). When the degree of polymerization is less than 13,000, the adhesion to the current collector is insufficient. When the degree of polymerization is more than 18000, the production of the electrode sheet is difficult due to the high viscosity.

앞서 언급한 바와 같이, 실리콘에 적합한 바인더가 실리콘-카본 복합체에서 적합치 않았다. 저분자 폴리아크릴산을 이 계에 적합한 바인더로 활용코자 하였으나 탄성과 결착력이 낮아 이를 증가시키기 위해 폴리아크릴산에 카르복시메틸셀룰로즈를 혼합하였더니 그 우수성을 확인할 수 있었다. 이때 저분자 폴리아크릴산의 중합도는 5000 내지 8000의 것을 사용하였다. 그리고 기존에 알려진 폴리아크릴로니트릴, 카르복시메틸셀룰로즈, 폴리아미드이미등을 포함하여 바인더를 검토하였다. 또한 실리콘합금계-카본 복합체에서는 풀로아크릴리튬 바인더를 적용하기가 더욱더 어려웠다. 현재는 유계인 폴리아미드이미드가 가장 우수한 바인더 특성을 갖으나 고온에서 장시간 열처리해야 함으로써 생산성 저하, 그리고 유해성이 높은 바인더였다. 그래서 본 발명에서는 이를 대체하기 위한 발명을 진행하였다. 실리콘합금계-카본 복합체는 생산수율을 높이기 위해 폴리아미드이미드 바인더의 양을 줄이는 대신 유계와 수계에 동시에 적용가능한 바인더이면서 분산성이 우수한 하이드록실프로필셀룰로즈를 첨가하여 성능 향상 즉 팽창율 감소를 나타내는 혼합 바인더를 발명하였다.As mentioned earlier, suitable binders for silicon were not suitable in the silicon-carbon composites. Although low molecular weight polyacrylic acid was intended to be used as a binder for this system, it was superior in elasticity and binding power and mixed with carboxymethyl cellulose in polyacrylic acid to increase it. The degree of polymerization of low molecular weight polyacrylic acid was 5000 to 8000. And a binder including polyacrylonitrile, carboxymethyl cellulose, polyamide imide and the like, which have been conventionally known, have been examined. In addition, in the case of the silicon alloy-carbon composite, it was further difficult to apply the acrylic lithium binder to the paste. At present, the polyamide-imide, which is a flowable resin, has the most excellent binder characteristics, but it has to be heat-treated for a long time at a high temperature, resulting in a decrease in productivity and a high harmful binder. Therefore, the present invention has been made to overcome this problem. In order to increase the yield of the silicone alloy-based carbon composite, a mixed binder which exhibits performance improvement, that is, a reduction in the expansion ratio, by adding hydroxylpropylcellulose which is excellent in dispersibility and is a binder which can be applied to both oil and water systems at the same time instead of reducing the amount of the polyamideimide binder .

상기 위에서 언급한 바인더들은 전극 활물질을 집전체 표면에 접착시키고, 전지의 충방전 사이클이 진행됨에 따라 집전체 표면에서 이탈되는 것을 막음으로써 음극의 단락 및 벗겨지는 현상들을 감소시켰으며, 상대적으로 높은 전지용량과 우수한 사이클 수명 특성을 제공하였다. 특히, 상기 폴리아크릴산 및 폴리아크릴리튬은 타 고분자들에 동일함량 대비하여 전기전도성이 높아 우수한 고효율 충방전 특성을 나타내었다. The above-mentioned binders adhere the electrode active material to the current collector surface and prevent the cathode from being short-circuited and peeled off by preventing the electrode active material from being separated from the surface of the current collector as the charge and discharge cycle of the battery progresses. Capacity and excellent cycle life characteristics. Particularly, the polyacrylic acid and the polyacrylic lithium have high electric conductivity compared to the same amount of other polymers and thus exhibit excellent high efficiency charge and discharge characteristics.

따라서, 상기한 음극재용 바인더는 전극 활물질뿐만 아니라 전극집전체에 균일하게 도포됨은 물론, 전극 바인더와 집전체의 결착력을 향상시키는 것도 포함한다. 위와 같이 고용량 음극재에 적합한 바인더를 대체하였을? 실리콘의 경우 사이클이 진행됨에 따라 바인더에 치환되어 있는 리튬 금속이 전기화학적 반응에서 리튬 소스(source)를 초과하는 효과를 보게 되어 사이클 수명과 용량의 향상을 얻을 수 있었다.(표 1, 도 2, 3 )Therefore, the binder for the negative electrode material is not only uniformly applied to the electrode active material but also to the electrode current collector, as well as improving the binding force between the electrode binder and the current collector. Did you replace the binder suitable for high capacity anode materials as above? In the case of silicon, as the cycle progresses, the lithium metal substituted in the binder shows an effect of exceeding the lithium source in the electrochemical reaction, so that the cycle life and capacity can be improved. (See Table 1, 3)

상기 바인더들을 전극 바인더의 전체 중량을 기준으로 바람직하게는 6 내지 16 중량퍼센트(더욱 바람직하게는 8 내지 13 중량퍼센트부)로 포함되며, 상기 바인더에서 리튬 관능기(R)을 가지는 고분자 폴리머인 상기 폴리아크릴계 혼합물은 폴리아크릴산 100 중량부에 대해 바람직하게는 0.1 내지 100 중량퍼센트 (더욱 바람직하게는 1 내지 50 중량퍼센트)의 함량으로 혼합하는 것이 바람직하다. The binder is preferably 6 to 16 weight percent (more preferably 8 to 13 weight percent) based on the total weight of the electrode binder, and the poly (alkylene oxide) polymer The acrylic mixture is preferably mixed in an amount of 0.1 to 100 weight percent (more preferably 1 to 50 weight percent) with respect to 100 weight parts of polyacrylic acid.

본 발명에서의 음극활물질로 사용될 수 있는 것은 실리콘, 실리콘 산화물(SiOx, O<x<2), 실리콘과 티탄(Ti), 니켈(Ni), 철(Fe)과의 합금, 실리콘과 탄소재의 복합체 및 산화물과 탄소재의 복합체 실리콘합금계와 탄소와의 복합체; 이들로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다.The anode active material used in the present invention may be silicon, silicon oxide (SiO x , O <x <2), silicon and titanium (Ti), nickel (Ni), an alloy of iron (Fe) A composite of an oxide and a carbon material, a composite of a silicon alloy and a carbon; And at least one selected from the group consisting of these, but is not limited thereto.

탄소재는 카본, 석유 코크, 활성화 카본, 카본 나노튜브, 흑연 및 탄소 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있고, 상기 흑연은 주로 천연 흑연 또는 인조 흑연이 사용될 수 있으나, 탄소재가 상기예시된 것들에 한정되지는 않는다.The carbon material may be at least one selected from the group consisting of carbon, petroleum coke, activated carbon, carbon nanotubes, graphite and carbon fiber. The graphite may be mainly natural graphite or artificial graphite, But are not limited to.

점도 조절제는 음극의 합제밀도를 결정하고 집전체와의 결착성을 결정하는 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 6 내지 16 중량퍼센트로 첨가될 수 있다. 점도조절제의 종류로는 카르복실메틸셀룰로즈(CMC), 카르복실에틸셀룰로즈(CEC), 에틸셀룰로즈(EC), 히드록시메틸셀룰로즈(HMC), 히드록시프로필셀룰로즈(HPC), 카르복실에틸메틸셀룰로오즈(CEMC)등의 수용성 고분자가 있으며, 위의 수용성 고분자의 점도 조절을 위해 증류수(DI water)와 N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrropidon, NMP) 등의 용매를 전극용 슬러리 100 중량부 기준으로 10 내지 35 중량퍼센트를 사용할 수도 있으나, 이는 중합 또는 경화 전 또는 후에 100도 내지 150도 범위(화씨)내에서 건조를 시켜야 한다.The viscosity adjusting agent is a component which determines the binder density of the negative electrode and determines the bondability with the current collector, and may be added in an amount of 6 to 16 weight percent based on the total weight of the negative electrode mixture. Examples of the viscosity modifier include carboxyl methyl cellulose (CMC), carboxyethyl cellulose (CEC), ethyl cellulose (EC), hydroxymethyl cellulose (HMC), hydroxypropyl cellulose (HPC), carboxylethyl methyl cellulose CEMC). To control the viscosity of the water-soluble polymer, a solvent such as distilled water (DI water) and N-methyl pyrrolidone (NMP) is added to 100 parts by weight of the electrode slurry 10 To 35 weight percent of the composition may be used, but this must be done within 100 to 150 degrees Fahrenheit before or after polymerization or curing.

도전제는 음극 활물질의 도전성을 향상시키기 위한 성분으로서, 음극 합제 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량퍼센트로 첨가될 수 있다. 이러한 도전제는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 첨가할 수 있는 도전제로는 카본블랙, 탄소섬유, 카본 나노튜브, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙(Ketjen Black) 및 슈퍼 피등이 있으나 상기 예시된 것들에 한정되지는 않는다.The conductive agent is a component for improving the conductivity of the negative electrode active material and may be added in an amount of 1 to 20 weight percent based on the total weight of the negative electrode mixture. Such a conductive agent is not particularly limited as long as it has electrical conductivity without causing a chemical change in the battery. Examples of the conductive agent that can be added include carbon black, carbon fiber, carbon nanotube, acetylene black, Ketjen Black, and superfine, but are not limited to those exemplified above.

충진제는 음극의 팽창을 억제하는 성분으로서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질을 사용할 수 있다.The filler is an olefin-based polymer such as polyethylene or polypropylene as a component for suppressing the expansion of the negative electrode; Fibrous materials such as glass fiber, carbon fiber and the like can be used.

집전체는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머등으로 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 집전체 두께는 3 내지 500 가 보통 사용된다.The current collector is not particularly limited as long as it is made of copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam, copper foil, polymer coated with a conductive metal, and the like. A collector thickness of 3 to 500 is usually used.

본 발명의 바인더와 활물질을 분산시킬 수 있는 분산매 종류로는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 이소부탄올, s-부탄올, t-부탄올등이 있으며 분산매를 2 내지 5종 정도 혼합하여 사용 할 수 있다.Examples of the dispersion medium capable of dispersing the binder and the active material of the present invention include water, methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, isobutanol, s-butanol and t-butanol. can do.

전극용 슬러리 용매로는 NMP(N-메틸 피롤리돈), DMF(디메틸 포름아미드), 아세톤, 디메틸 아세트아미드 등의 유기 용매 또는 물 등이 있다. 이들 용매는 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.Examples of the slurry solvent for electrodes include organic solvents such as NMP (N-methylpyrrolidone), DMF (dimethylformamide), acetone, dimethylacetamide, etc., or water. These solvents may be used alone or in combination of two or more.

음극용 전극활물질 슬러리 제조는 물이나 유기물을 분산매로 하여 분산매로 하여 실리콘, 실리콘-카본, 실리콘 합금-카본 음극재와 본발명의 바인더 또는 바인더와 첨가제로 사용할 때는 증점제, 분산제 그리고 도전재를 를 첨가하여 슬러리를 제조하였다. 이때 음극 조성은 각각의 실시예에 따라 다르기 때문에 실시예에 나타내었다.The electrode active material slurry is prepared by dispersing water or an organic material into a dispersion medium and then adding a thickener, a dispersant, and a conductive material to the silicon negative electrode material, the silicon-carbon composite material and the carbon alloy negative electrode material, To prepare a slurry. In this case, the composition of the negative electrode differs according to each embodiment, and thus it is shown in the embodiment.

이때, 사용된 활물질 중 탄소는 도 9에 나타낸 바와 같이 평균 입자크기 18미크로(um)의 흑연 분말을 사용하였다. 상기 흑연의 형태는 무정형상, 평판상, 박편 모양, 분립자상 등이 가능하며 특별히 제한되지 않는다. 흑연의 평균 입자크기가 1 내지 50미크론(㎛)이, 바람직하게는 5 내지 30 미크론(㎛)이다.
At this time, graphite powder having an average particle size of 18 micro (um) as shown in Fig. 9 was used as carbon of the active material used. The shape of the graphite may be amorphous, flat, flaky, or granular, and is not particularly limited. The graphite has an average particle size of 1 to 50 microns (占 퐉), preferably 5 to 30 microns (占 퐉).

음극 조성비는 활물질, 도전제 및 바인더를 중량비로 84:1:15로 구성하였다. 이때 사용된 음극 활물질은 실리콘(평균 입자 크기, 20-30나노미크론)이었고, 도전재로는 상용으로 판매되는 카본블랙(carbon black)을, 바인더로는 본 발명에서 합성한 바인더 (특허출원10-2012-0025118, 2012.03.12)로서 증류수(D.I. water)에 5~10중량퍼센트로 용해시켜 사용하였다. 여기서 사용한 합성 바인더와 기존 합성한 바인더를 비교할 수 있게끔 <표 1>과 같이 사용하였다. 합성한 바인더를 폴리아크릴산에서 관능기를 리튬으로 치환하여 변형시킨 폴리아크릴리튬(PAA-Li) (치환 변형된 형태는 도 1 )이다.The cathode composition ratio was 84: 1: 15 by weight of the active material, the conductive agent and the binder. In this case, the negative electrode active material used was silicon (average particle size, 20 to 30 nanometers), carbon black commercially available as a conductive material, and a binder synthesized in the present invention as a binder (Patent Application 10- 2012-0025118, March 12, 2012), and dissolved in distilled water (DI water) at 5 to 10 weight percent. Table 1 shows the comparison between the synthetic binder and the conventional binder. And polyacrylic lithium (PAA-Li) (substituted and modified form is shown in Fig. 1) in which the synthesized binder is modified by replacing the functional group with lithium in polyacrylic acid.

전극제조는 음극 활물질과 도전제를 볼밀에서 건식으로 6시간 이상 혼합한 다음 30중량퍼센트의 용매에 용해된 바인더를 넣고 혼합기에서 30분간 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 집전체(구리)에 전극 코팅은 닥터블레이드(Doctorblade)를 이용하여 앞서 제조한 슬러리를 일정한 두께(50~150um)로 코팅하였다. 이때 전극은 2.0~5.0 mg/로 도포하고, 전극 제조 후 20~50미크론의 두께가 되도록 압연하여 패킹밀도(packing density)를 1.2~1.6 g/cc로 구성하였다. 코팅이 완료된 시료는 도 8의 분해 온도를 감안하여 80~110도(℃) 에서 진공건조 시켰다. The electrode was prepared by mixing the anode active material and the conductive agent in a ball mill for 6 hours or more, adding a binder dissolved in 30 weight percent of a solvent, and mixing in a mixer for 30 minutes to prepare a slurry. Electrode coating on the current collector (copper) was carried out using Doctorblade to coat the previously prepared slurry with a constant thickness (50-150 um). At this time, the electrode was coated at 2.0 ~ 5.0 mg /, and the electrode was rolled to have a thickness of 20 ~ 50 microns after the preparation of the electrode, and the packing density was set at 1.2 ~ 1.6 g / cc. The coated sample was vacuum-dried at 80 to 110 degrees Celsius in consideration of the decomposition temperature of FIG.

바인더 및 전극활물질을 포함하는 슬러리를 집전체 상에 도포하는 음극은 이차전지를 제조하는 업체나 평가기관에서 평가시 제조방법인 통상적인 방법에 따라 제조하였다. The negative electrode for applying the slurry containing the binder and the electrode active material onto the current collector was manufactured according to a conventional method for evaluation in a manufacturer or an evaluation institution of a secondary battery.

코팅한 전극은 아르곤 가스 분위기인 글로브박스에서 전지 셀을 제작하였다. 하판(case)에 전극을 올려두기 전 전해액을 한방울 떨어뜨려 전극이 움직이지 않도록한 뒤, 전극위에 전해액을 함침시키고, 퍼짐이 보이면 분리막을 올렸다. 가스켓을 올리고, 리튬메탈을 펀칭하여 서스스페이서(Sus-spacer)에 부착한 뒤 전극 위에 올린 뒤 스페이서(spacer)를 올리고 전해액을 ?은 뒤 덮어 조립하였다. 조립한 전지 셀은 12시간 상온에서 에이징(aging)을 실시하여 안정화하여 특성 측정에 사용하였다.The coated electrode was fabricated in a glove box under argon gas atmosphere. Before placing the electrode in the lower case, a drop of the electrolyte was dropped to prevent the electrode from moving, then the electrolyte was impregnated on the electrode, and the spreading membrane was raised. The gasket was raised, and lithium metal was punched and attached to a Sus-spacer. Then, a spacer was placed on the electrode, and the electrolyte solution was covered with the electrolyte. The assembled battery cell was stabilized by aging at room temperature for 12 hours and used for characterization.

폴리아크릴리튬바인더를 사용했을 때 충방전용량 및 50사이클 후 수명Charge-Discharge Capacity and Life After 50 Cycles When Using Polyacrylic Lithium Binder 실시예Example 바인더 명Binder name 충전용량
(mAh/g)
Charging capacity
(mAh / g)
방전용량
(mAh/g)
Discharge capacity
(mAh / g)
초기효율
(%)
Initial efficiency
(%)
50사이클 수명(%)50 cycle life (%)
실시예 1Example 1 폴리아크릴리튬Polyacrylic lithium 3856
(4992)
3856
(4992)
3365
(4573)
3365
(4573)
87.2
(91.6)
87.2
(91.6)
7070
비교예 1
실리콘
Comparative Example 1
silicon
폴리비닐리덴플루오라이드Polyvinylidene fluoride 10801080 926926 85.785.7 10
(10회)
10
(10 times)
비교예 2
실리콘
Comparative Example 2
silicon
폴리아크릴릭에시드Polyacrylic acid 21382138 18351835 45.745.7 2626
비교예 3
실리콘
Comparative Example 3
silicon
폴리비닐알코올Polyvinyl alcohol 25302530 17001700 67.267.2 4141

[비교예 1][Comparative Example 1]

표 1에 나타낸 바와같이 바인더로 폴리아클릴리튬 대신에 폴리비닐리덴플루오라이드를, 용매는 증류수 대신에 N-메틸피롤리돈을 사용한 것을 제외하고는 [실시예 1]과 동일하게 실시하였다.As shown in Table 1, polyvinylidene fluoride was used as a binder instead of polyacyllithium, and the solvent was the same as in [Example 1], except that N-methylpyrrolidone was used instead of distilled water.

실리콘 음극 활물질, 폴리비닐리덴플루오라이드 바인더 및 카본 블랙 도전제를 84 : 1 : 15 중량비로 혼합한 후 N-메틸피롤리돈 용매에 분산하여 음극 슬러리를 제조하였다. 상기 음극 활물질 슬러리 조성물을 집전체(구리)에 도포하여 음극을 제조하였다.
A silicon anode active material, a polyvinylidene fluoride binder, and a carbon black conductive agent were mixed at a weight ratio of 84: 1: 15 and dispersed in N-methylpyrrolidone solvent to prepare an anode slurry. The negative electrode active material slurry composition was applied to a current collector (copper) to prepare a negative electrode.

[비교예 2][Comparative Example 2]

바인더인 폴리아크릴리튬을 폴리아크릴산으로 사용하여 음극을 제조한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1]과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was prepared in the same manner as in [Example 1], except that a negative electrode was prepared using polyacrylic acid as a binder, polyacrylic acid.

[비교예 3][Comparative Example 3]

바인더를 폴리아크릴리튬에서 폴리비닐알코올(PVA)로 변경하여 음극을 제조한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1]과 동일한 방법으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was prepared in the same manner as in [Example 1], except that the negative electrode was prepared by changing the binder from polyacrylic lithium to polyvinyl alcohol (PVA).

실시예 1의 결과 <표 1과> 도 2 및도 3에서 보면 초기 충전용량, 초기효율 및 50 사이클 수명을 폴리아크릴리튬 바인더를 사용함으로써 크게 향상되었음을 확인할 수 있었다. 특히 폴리아크릴리튬 바인더 사용의 경우 50 사이클 후 용량 유지율(수명)이 70 퍼센트로 다른 비교예 바인더 사용보다 매우높은 결과를 얻었다. 그 이유는 도 4, 도 5에서 보여준 것처럼 충방전 과정에서 나온 리튬과 실리콘이 반응하여 합금화되기 때문이다. 또한 팽창율을 도 6과 같이 주사전자현미경으로 측정하고 표시하면 87퍼센트로 매우 낮게 나타났다. 이때 팽창율(%) = [(충전 후 전극 두께-충전 전 전극 두께) / 충전 전 전극 두께] x 100 의 식으로 구하였다.
Results of Example 1 < Tables 1 and 2 > As shown in FIGS. 2 and 3, it was confirmed that the initial charge capacity, initial efficiency and 50 cycle life were greatly improved by using a polyacrylic lithium binder. In particular, the use of a polyacrylic lithium binder resulted in a capacity retention rate (life span) of 70 percent after 50 cycles, which was much higher than that of other comparative binders. The reason for this is that as shown in FIG. 4 and FIG. 5, lithium and silicon from the charge and discharge processes react and alloy with each other. Also, the expansion rate was measured by a scanning electron microscope as shown in FIG. The expansion ratio (%) = [((electrode thickness after filling-electrode thickness before filling) / (electrode thickness before filling)] x 100

음극 조성비는 실리콘-카본 활물질 : 카본블랙 도전제 : 저분자 폴리아크릴산에 카르복시메틸셀룰로즈를 6 : 2로 혼합한 바인더를 중량비로 88 : 4 : 8로 구성하였다. 이때 전극활물질은 실리콘에 카본을 8 : 2 중량비로 화학적 처리를 하여 합성한 것을 사용하였다. 실리콘과 카본을 화학적으로 처리하여 합성한 실리콘 카본 복합체는 도 9에 나타낸 것을 사용하였다. 실리콘과 카본을 화학적 처리하기 위해 사용한 실리콘의 크기는 10 내지 50 나노미터(nm) 바람직하게는 20 내지 30 나노미터(nm) 이다. 카본은 도 10에 나타낸 것을 사용하였다. 평균입자크기 1 내지 50미크론(um), 더욱 바람직한 것은 5 내지 30미크론(um)이다.The negative electrode composition ratio was 88: 4: 8 by weight of a silicone-carbon active material: carbon black conductive agent: a binder in which 6: 2 carboxymethyl cellulose and low molecular weight polyacrylic acid were mixed. The electrode active material was synthesized by chemically treating silicon with carbon at an 8: 2 weight ratio. The silicon carbon composites synthesized by chemically treating silicon and carbon were those shown in Fig. The size of silicon used to chemically treat silicon and carbon is 10 To 50 nanometers (nm), preferably 20 to 30 nanometers (nm). The carbon shown in Fig. 10 was used. Average particle size is 1 to 50 microns (um), more preferably 5 to 30 microns (um).

전극제조 공정은 실시예 1과 동일하다. 전극은 2.3~3.0 mg/로 도포하고, 전극 제조 후 15~25의 두께가 되도록 압연하여 패킹밀도(packing density)를 1.2~1.6 g/cc로 하였다. The electrode manufacturing process is the same as in the first embodiment. The electrode was coated with 2.3 to 3.0 mg / liter and rolled to a thickness of 15 to 25 after the preparation of the electrode, and the packing density was set to 1.2 to 1.6 g / cc.

실리콘과 카본 복합체 활물질에 대한 바인더 종류별 전기화학적 특성Electrochemical Properties of Binder Type for Silicon and Carbon Composite Active Materials 실시예1Example 1 바인더명Binder name 충전용량
(mAh/g)
Charging capacity
(mAh / g)
방전용량
(mAh/g)
Discharge capacity
(mAh / g)
초기효율
(%)
Initial efficiency
(%)
50 사이클수명
(%)
50 cycle life
(%)
팽창율
(%)
Expansion ratio
(%)
실시예2Example 2 저분자폴리아크릴
카르복시 메틸셀률로즈
Low molecular weight polyacrylic
Carboxymethyl Cellulose Rose
890890 825825 9292 95
(20회)
95
(20 times)
101101
비교예1Comparative Example 1 폴리아크릴리튬Polyacrylic lithium 690690 648648 9494 15
(10회)
15
(10 times)
8787
비교예2Comparative Example 2 폴리아미드이미드Polyamideimide 840840 795795 9595 6363 108108 비교예3Comparative Example 3 폴리아크릴로니트릴Polyacrylonitrile 887887 827827 9393 6060 6969 비교예4Comparative Example 4 카르복시 메틸셀룰로즈Carboxymethylcellulose 780780 748748 9696 96
(20회)
96
(20 times)
8686
비교예5Comparative Example 5 저분자폴리아크릴산Low molecular weight polyacrylic acid 880880 821821 9393 8989 8080 비교예6Comparative Example 6 고분자폴리아크릴산Polymer Polyacrylic acid 800800 650650 8181 81
(35회)
81
(35 times)
102102

[비교예 1][Comparative Example 1]

실시예 2와 같이 바인더로서 저분자 폴리아크릴산에 카르복시메틸셀룰로즈를 혼합한 경우를 폴리아크릴리튬을 사용한 것 외에는 실시예 2와 동일하고, 전극제조공정은 실시예 1과 동일하다. The procedure of Example 2 was the same as that of Example 2 except that polyacrylic lithium was used in the case of mixing carboxymethylcellulose with a low molecular weight polyacrylic acid as a binder as in Example 2,

[비교예 2][Comparative Example 2]

[실시예 2]의 바인더를 폴리아미드이미드로 대체 사용한 것 외에는 [실시예 2]와 동일하다. 전극 제조 공정은 [실시예 1]와 동일하다.The same as [Example 2] except that the binder of [Example 2] was replaced with a polyamideimide. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1].

[비교예 3][Comparative Example 3]

[실시예 2]의 바인더를 폴리아크릴로 대체하여 사용한 것 외에는 [실시예 2]와 동일하다. 전극 제조 공정은 [실시예 1]와 동일하다.The same as [Example 2] except that the binder of [Example 2] was replaced with polyacryl. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1].

[비교예 4][Comparative Example 4]

[실시예 2]의 바인더를 카르복시메틸셀룰로즈로 대체하여 사용한 것 외에는 실시예 2와 동일하다. 전극 제조 공정은 [실시예 1]와 동일하다.The procedure of Example 2 was repeated except that the binder of [Example 2] was replaced by carboxymethyl cellulose. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1].

[비교예 5][Comparative Example 5]

[실시예 2]의 바인더를 저분자량(분자량 450,000) 폴리아크릴산으로 대체하여 사용한 것 외에는 [실시예 2]와 동일하다. 전극 제조 공정은 [실시예 1]와 동일하다.The same as [Example 2] except that the binder of [Example 2] was replaced with a low molecular weight (molecular weight: 450,000) polyacrylic acid. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1].

[비교예 6][Comparative Example 6]

[실시예 2]의 바인더를 고분자량(분자량 1,250,000) 폴리아크릴산으로 대체하여 사용한 것 외에는 [실시예 2]와 동일하다. 전극 제조 공정은 [실시예 1]와 동일하다.The same as [Example 2] except that the binder of [Example 2] was replaced with a high molecular weight (molecular weight: 1,250,000) polyacrylic acid. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1].

본 발명을 실리콘에 카본을 첨가한 복합체 활물질을 사용하여 이차전지 특성을 확인한 제조한 결과로서,실시예 2와 비교예 1~6의 결과로 <표 2> 와 도 7로부터 유추해보면 사이클 수명으로 비교해 보면 저분자 폴리아크릴산, 카르복시메틸셀룰로즈 및 저분자량폴리아크릴산에 카르복시메틸셀룰로즈를 첨가한 바인더가 급격한 수명저하 없이 사이클 수명이 유지되는 것으로 확인되었다. 그러나 팽창율은 다른 바인더보다 약간 높게 나타났다. 그러나 충방전 용량, 초기효율 및 팽창율 특성을 감안해 보면, 위에서 언급한 바인더를 사용하였을 때가 우수한 특성을 나타내었다. 바인더를 저분자량폴리아크릴산으로 사용한 경우는 집전체와 결착력이 약하였으나 저분자량폴리아크릴산에 카르복시메틸셀룰로즈를 첨가한 경우는 결착력이 양호하였다. 결착력이 낮으면 사이클을 장시간 수행하게 되면 실리콘 활물질의 부피팽창으로 집전체와 떨어지게 되어 급격히 특성이 저하될 수 있으므로 본 발명에서 실리콘에 카본을 20 중량퍼센트로 혼합한 복합계에서는 가장 우수한 바인더는 저분자량폴리아크릴산에 카르복시메틸셀룰로즈를 6 : 2중량비로 혼합한 복합 바인더가 가장 우수하였다.
From the results of Example 2 and Comparative Examples 1 to 6, it can be deduced from Table 2 and FIG. 7 that the present invention is a result of preparing secondary battery characteristics by using a composite active material to which carbon is added to silicon. It has been found that the binder obtained by adding carboxymethyl cellulose to low molecular weight polyacrylic acid, carboxymethyl cellulose and low molecular weight polyacrylic acid maintains the cycle life without abruptly decreasing the lifetime. However, the expansion rate was slightly higher than other binders. However, considering the charging / discharging capacity, initial efficiency and expansion rate characteristics, the above-mentioned binder exhibited excellent characteristics when used. When the binder was used as the low molecular weight polyacrylic acid, the binding strength with the current collector was weak, but when the carboxymethyl cellulose was added to the low molecular weight polyacrylic acid, the binding power was good. If the cycle is performed for a long time, the silicone active material may be separated from the collector due to the volume expansion thereof, and the characteristics may be deteriorated rapidly. Therefore, in the composite system in which silicon is mixed with 20 weight percent of carbon, the most excellent binder has a low molecular weight The composite binder obtained by mixing carboxymethyl cellulose and polyacrylic acid in a weight ratio of 6: 2 was the best.

음극 활물질 카본을 고용량화 하기위해서는 카본에 실리콘을 첨가해 하는 경우가 많다. 그래서 본 발명에서는 , 천연 흑연 과 합성탄소 에 실리콘을 첨가, 혼합비율을 변화시켰을때, 실리콘과 흑연 및 카본의 활물질 조성이 리튬이차전지특성이 적합한가를 확인하였다. 바인더로는 카르복시메틸셀룰로즈와 스타디엔부타디엔고무 바인더를 중량비로(6 : 2)로 혼합하여 사용하였다. 이때 음극조성비로 활물질 : 도전제 : 바인더 = 88 : 4 : 8로 하여 음극을 제조하였다. 이때활물질은 천연흑연과 실리콘의 비는 중량으로 9:1 이었다.In order to increase the capacity of the negative electrode active material carbon, silicon is often added to the carbon. Therefore, in the present invention, it was confirmed that the composition of the active material of silicon, graphite, and carbon is suitable for lithium secondary battery characteristics when silicon is added to natural graphite and synthetic carbon and the mixing ratio is changed. As the binder, carboxymethyl cellulose and stadiene butadiene rubber binder were mixed at a weight ratio (6: 2) and used. At this time, the negative electrode was prepared with active material: conductive agent: binder = 88: 4: 8 at the negative electrode composition ratio. At this time, the ratio of the natural graphite to the silicon was 9: 1 by weight.

<표3> 에 나타낸 바와 같이 실리콘이 10 중량퍼센트 미만이었을 때는 단순혼합하여 사용한 경우이다, 이때 사용 천연흑연의 경우 형상은 [도 10]에 보여준 것처럼 대략적으로 타원형으로 이루어졌으나 완전한 타원형이 아닌 형태, 평균입자크기가 10~30미크론, 비표면적 5.4/g인 것을 사용하였으며 카본(C)은 순도 97%, 평균입자크기 2~5미크론, 비표면적 3.6/g 인 것을 사용하였다. 전극제조 공정은 실시예 1과 동일하게 하였다.As shown in Table 3, when the amount of silicon was less than 10% by weight, simple mixing was used. In the case of the natural graphite used, the shape was roughly elliptical as shown in FIG. 10, Carbon (C) having a purity of 97%, an average particle size of 2 to 5 microns, and a specific surface area of 3.6 / g was used as the carbon material having an average particle size of 10 to 30 microns and a specific surface area of 5.4 / g. The electrode manufacturing process was the same as that of Example 1.

[비교예 1][Comparative Example 1]

[실시예 3]에서 활물질인 천연흑연 : 실리콘 = 9 : 1 중량퍼센트를 활물질의 비를 천연흑연 : 실리콘 : 카본 = 9 : 1 : 0.05 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 [실시예 3]과 같다. 전극제조공정은 [실시예 1]과 동일하게 하였다.The same as Example 3 except that the ratio of the active material to the ratio of the natural graphite: silicon: carbon = 9: 1: 0.05 weight percent was used as the active material in Example 3. The electrode manufacturing process was the same as in [Example 1].

[비교예 2][Comparative Example 2]

[실시예 3]에서 활물질인 천연흑연 : 실리콘 = 9 : 1 중량퍼센트를 활물질의 비를 천연흑연 : 실리콘 : 카본 = 9 : 1 : 0.2 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 [실시예 3]과 같다. 전극제조공정은 [실시예 1]과 동일하게 하였다.Example 3 is the same as Example 3 except that the ratio of the active material to the ratio of the natural graphite: silicon: carbon = 9: 1: 0.2 weight% of the natural graphite: silicon = 9: The electrode manufacturing process was the same as in [Example 1].

[비교예 3][Comparative Example 3]

[실시예 3]에서 활물질인 천연흑연 : 실리콘 = 9 : 1 중량퍼센트를 활물질의 비를 천연흑연 : 실리콘 : 카본 = 8.55 : 0.45 : 1 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 [실시예 3]과 같다. 전극제조공정은 [실시예 1]과 동일하게 하였다.Example 3 is the same as Example 3 except that the ratio of the active material to the ratio of the natural graphite: silicon: carbon = 8.55: 0.45: 1 weight percent was used as the active material in Example 3. The electrode manufacturing process was the same as in [Example 1].

[비교예 4][Comparative Example 4]

[실시예 3]에서 활물질인 천연흑연 : 실리콘 = 9 : 1 중량퍼센트를 활물질의 비를 천연흑연 : 실리콘 : 카본 = 8.1 : 0.8 : 1 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 [실시예 3]과 같다. 전극제조공정은 [실시예 1]과 동일하게 하였다.Example 3 is the same as Example 3 except that the ratio of the active material to the natural graphite: silicon = 9: 1 weight percent is changed to natural graphite: silicon: carbon = 8.1: 0.8: 1 weight percent. The electrode manufacturing process was the same as in [Example 1].

[비교예 5][Comparative Example 5]

[실시예 3]에서 활물질 천연흑연 : 실리콘 = 9 : 1 중량퍼센트를 활물질의 비를 천연흑연 : 실리콘 : 카본 = 9 : 1 : 1 중량퍼센트로 변화시키고 바인더를 카르복시메틸셀룰로즈에 고무를 첨가한 바인더에서 폴리아미드이미드로 교체한 것 외에는 [실시예 3]과 같다. 전극제조공정은 [실시예 1]과 동일하게 하였다.In Example 3, the ratio of the active material to the active material was changed from natural graphite: silicon = 9: 1 weight percent to natural graphite: silicon: carbon = 9: 1: 1 weight percent, and the binder was mixed with carboxymethylcellulose, Was replaced with a polyamideimide in Example 3. The electrode manufacturing process was the same as in [Example 1].

[비교예 6][Comparative Example 6]

[실시예 3]에서 활물질 천연흑연 : 실리콘 = 9 : 1 중량퍼센트를 활물질의 비를 천연흑연 : 실리콘 : 카본 = 8 : 2 : 1 중량퍼센트로 변화시키고 바인더를 카르복시메틸셀룰로즈에 고무를 첨가한 바인더에서 폴리아미드이미드로 교체한 것 외에는 [실시예 3]과 같다. 전극제조공정은 [실시예 1]과 동일하게 하였다.In Example 3, the ratio of the active material to the active material was changed from natural graphite: silicon = 9: 1 weight percent to natural graphite: silicon: carbon = 8: 2: 1 weight percent, and the binder was mixed with carboxymethylcellulose Was replaced with a polyamideimide in Example 3. The electrode manufacturing process was the same as in [Example 1].

[비교예 7][Comparative Example 7]

[실시예 3]의 전지제작 공정은 동일하나 음극활물질인 천연흑연과 실리콘의 혼합과정, 앞의 혼합물을 피치로 코팅한 후 900 질소 분위기에서 열처리하여 활물질로 사용 활물질 : 도전제(Ketjen Black) : 바인더(폴리아미드이미드) = 8 : 1 : 1 (중량비)로 하여 전극을 제조하였다 전극을 제조하였다. 이때 혼합, 코팅공정은 우선 325메쉬(mesh) 크기를 갖고 있어 실리콘을 유성밀(planetary mill)을 이용하여 300나노미터(nm)급으로 분쇄한 뒤, 이를 천연흑연 및 피치(pitch)와 함께 혼합하였다. 이 때, 천연흑연은 중량퍼센트로 10퍼센트였고, 고정 피치양은 활물질 전체의 5퍼센트였다. 혼합 과정은 피치를 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 용매에 녹인 후, 여기에 실리콘과 천연흑연을 넣고 초음파로 분산을 시키면서 용매를 증발시켰다. 건조된 혼합물을 질소 분위기에서 900로 열처리를 하여 실리콘입자와 비정질탄소가 코팅된 천연흑연을 얻었다. 상기 공정에서 실리콘의 함량을 10 중량 퍼센트였다.The battery fabrication process of Example 3 is the same, but the process of mixing natural graphite and silicon, which is an anode active material, is coated with pitch and then heat-treated in a nitrogen atmosphere of 900. Active material: Ketjen Black: And a binder (polyamideimide) = 8: 1: 1 (weight ratio). At this time, the mixing and coating process first has a size of 325 mesh, and the silicon is milled to 300 nanometers (nm) using a planetary mill and then mixed with natural graphite and pitch Respectively. At this time, the natural graphite was 10 percent by weight, and the fixed pitch amount was 5 percent of the total active material. In the mixing process, the pitch was dissolved in a tetrahydrofuran solvent, and then silicon and natural graphite were added thereto, and the solvent was evaporated by ultrasonic dispersion. The dried mixture was heat treated at 900 in a nitrogen atmosphere to obtain natural graphite coated with silicon particles and amorphous carbon. The silicon content in the above process was 10 weight percent.

실리콘과 카본복합체 활물질 종류의 비율과 바인더를 변화시켰을 때 그에 따른 초기효율 및 50 사이클 수명The ratio of silicon to carbon composite active material and the initial efficiency and 50 cycle life 구분division 활물질(전체 88 중량퍼센트)Active substance (total 88 weight percent)

bar
sign
more
충방전 용량 (1C)Charge / discharge capacity (1C) 50 cycle 후 수명(%)Life after 50 cycles (%)
천연흑연Natural graphite 실리콘silicon 카본Carbon 충전
(mAh/g)
charge
(mAh / g)
방전
(mAh/g)
Discharge
(mAh / g)
초기효율(%)Initial efficiency (%)
실시예 3-1Example 3-1 99 1One 00 카르복시메틸셀룰로즈+
스타디엔부타디엔고무
Carboxymethylcellulose +
Stadiene butadiene rubber
405405 400400 98.898.8 35.035.0
비교예
1
Comparative Example
One
99 1One 0.050.05 350350 330330 91.691.6 45.045.0
비교예
2
Comparative Example
2
99 1One 0.20.2 310310 293293 94.594.5 40.040.0
비교예
3
Comparative Example
3
8.558.55 0.450.45 1One 380380 360360 94.094.0 32.032.0
비교예
4
Comparative Example
4
8.18.1 0.80.8 1One 300300 295295 96.096.0 20.020.0
비교예
5
Comparative Example
5
99 1One 1One 폴리아미드이미드Polyamideimide 738738 578578 7878 8181
비교예
6
Comparative Example
6
88 22 1One 684684 522522 7676 4848
비교예
7
Comparative Example
7
88 1One 1One 785785 536536 6868 2828

실시예 3의 결과를 보면 바인더가 스타디엔부타디엔고무와 카르복시메틸셀룰로즈인 경우 실리콘 함량이 10 중량퍼센트 미만일 때는 초기효율이 높지만 50회 사이클 수명은 매우 낮은 것으로 나타났다. 그 이유로는 저순도의 카본(순도97%)의 영향도 있지만 실리콘과 천연흑연을 단순 혼합한 영향이라 사료된다. 그런데 폴리아미드이미드 바인더를 사용하고 실리콘 함량을 10 중량퍼센트로 한 경우 50회 사이클 후 수명이 81퍼센트로 우수한 특성을 보여주었다. 그러나 활물질로 실리콘 사용 시 바인더로 폴리아미드이미드를 사용하면 활물질은 피치로 코팅하였을때도 실리콘양을 20중량 퍼센트 사용 시는 50 사이클 수명이 급격히 저하 하였다.The results of Example 3 show that when the binder is stadiene butadiene rubber and carboxymethylcellulose, the initial efficiency is higher when the silicone content is less than 10 weight percent, but the cycle life is 50 times lower. The reason for this is the effect of low purity carbon (97% purity) but the effect of simple mixing of silicon and natural graphite. However, when the polyamideimide binder was used and the silicone content was 10 weight percent, the lifetime after the 50 cycles was 81 percent. However, when polyamideimide is used as a binder in the case of using silicon as an active material, when the active material is coated with a pitch, the life cycle of 50 cycles when the amount of silicon is 20 wt% is drastically decreased.

또한, 실리콘 함량을 10 중량퍼센트에서 30 중량퍼센트로 증가시킬수록 현재의 카르복시메틸셀룰로즈에 스타티엔부타디엔고무 바인더나 폴리아미드이미드 바인더는 초기 용량은 증가하지만 급격히 수명저하가 일어나면서 용량 열화가 발생하였다. In addition, as the silicon content was increased from 10 wt% to 30 wt%, the present carboxymethylcellulose stearate butadiene rubber binder or polyamideimide binder increased in initial capacity, but the capacity deterioration occurred due to a shortened life span.

음극 활물질 즉, 실리콘 합금-카본 복합체의 적합한 바인더를 발명하기 위해 활물질의 혼합비율과 바인더의 종류 및 도전제의 양을 변화시켜가며 이차전지특성이 어떻게 변화되는가 <표 4>와 같이 행하였다. 여기에서 활물질은 66중량퍼센트의 실리콘에 34중량퍼센트의 티탄(Ti), 니켈(Ni), 철(Fe)을 함유하고 있는 실리콘합금계와 천연흑연의 비가 55:45로 하고, 바인더는 폴리아미드이미드를, 도전제는 케쳔블랙을 사용하였다. 음극조성비는 실리콘합금계-카본 복합체 : 도전제 : 바인더 = 88 : 4 : 8이었고, 전극제조 공정은 전극의 진공건조 온도는 150 미만으로 한 것 외에는 [실시예 1]과 동일하다.Table 4 shows how the characteristics of the secondary battery are changed by varying the mixing ratio of the active material, the kind of the binder and the amount of the conductive agent in order to invent a suitable binder for the anode active material, i.e., the silicon alloy-carbon composite. Here, the active material has a ratio of a silicon alloy system containing titanium (Ti), nickel (Ni) and iron (Fe) of 34 weight percent to silicon of 66 weight percent and natural graphite at a ratio of 55:45, Meade and Ketjen Black as a conductive agent. The cathode composition ratio was the same as that of [Example 1] except that the silicon alloy-carbon composite: conductive agent: binder = 88: 4: 8 and the vacuum drying temperature of the electrode was less than 150.

[비교예 1][Comparative Example 1]

실시예 4에서 전극 조성비를 실리콘 합금-카본 복합체 : 도전제 : 바인더 = 88 : 4 : 10 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 실시예 4와 같다. 전극제조 공정은 전극의 진공건조 온도는 150 미만으로 한 것 외에는 [실시예 1]과 동일하다.Example 4 is similar to Example 4 except that the electrode composition ratio was changed to silicon alloy-carbon composite: conductive agent: binder = 88: 4: 10 weight percent. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1] except that the vacuum drying temperature of the electrode is less than 150.

[비교예 2][Comparative Example 2]

실시예 4에서 전극 조성비를 실리콘 합금-카본 복합체 : 도전제 : 바인더 = 90 : 4 : 6 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 실시예 4와 같다. 전극제조 공정은 전극의 진공건조 온도는 150 미만으로 한 것 외에는 [실시예 1]과 동일하다.Example 4 is similar to Example 4 except that the electrode composition ratio in Example 4 was changed to silicon alloy-carbon composite: conductive agent: binder = 90: 4: 6 weight percent. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1] except that the vacuum drying temperature of the electrode is less than 150.

[비교예 3][Comparative Example 3]

실시예 4에서 전극 조성비를 실리콘 합금-카본 복합체 : 도전제 : 바인더 = 92 : 4 : 4 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 실시예 4와 같다. 전극제조 공정은 전극의 진공건조 온도는 150 미만으로 한 것 외에는 [실시예 1]과 동일하다.Example 4 is the same as Example 4 except that the electrode composition ratio in Example 4 was changed to silicon alloy-carbon composite: conductive agent: binder = 92: 4: 4 weight percent. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1] except that the vacuum drying temperature of the electrode is less than 150.

[비교예 4][Comparative Example 4]

실시예 4에서 활물질 실리콘 합금과 카본 = 8.9 : 1.1 중량비로 하고, 전극 조성비를 실리콘 합금-카본 복합체 : 도전제 : 바인더 = 90 : 2 : 8 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 실시예 4와 같다. 전극제조 공정은 전극의 진공건조 온도는 150 미만으로 한 것 외에는 [실시예 1]과 동일하다.Example 4 was the same as Example 4 except that the active material silicon alloy and carbon were changed to 8.9: 1.1 by weight ratio and the electrode composition ratio was changed to silicon alloy-carbon composite: conductive agent: binder = 90: 2: 8% by weight. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1] except that the vacuum drying temperature of the electrode is less than 150.

[비교예 5][Comparative Example 5]

실시예 4에서 활물질 실리콘합금 : 카본복합체 = 8.9 : 1.1 비로 하고, 전극 조성비를 실리콘 합금-카본 복합체 : 도전제 : 바인더 = 86 : 4 : 10 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 실시예 4와 같다. 전극제조 공정은 전극의 진공건조 온도는 150 미만으로 한 것 외에는 [실시예 1]과 동일하다.Example 4 is similar to Example 4 except that the ratio of the active material silicon alloy: carbon composite is 8.9: 1.1 and the ratio of the electrode composition is silicon alloy-carbon composite: conductive agent: binder = 86: 4: 10 weight percent. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1] except that the vacuum drying temperature of the electrode is less than 150.

[비교예 6][Comparative Example 6]

실시예 4에서 활물질 실리콘합금 : 카본복합체 = 9 : 1 중량비로 하고 전극 조성비를 실리콘 합금-카본 복합체 : 도전제 : 바인더 = 90 : 4 : 6 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 실시예 4와 같다. 전극제조 공정은 전극의 진공건조 온도는 150 미만으로 한 것 외에는 [실시예 1]과 동일하다.Example 4 is the same as Example 4 except that the active material silicon alloy: carbon composite in Example 4 was used in a weight ratio of 9: 1 and the electrode composition ratio was changed to silicon alloy-carbon composite: conductive agent: binder = 90: 4: 6 weight percent. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1] except that the vacuum drying temperature of the electrode is less than 150.

[비교예 7][Comparative Example 7]

실시예 4에서 음극재조성중에 바인더를 폴리아미드이미등서 폴리비닐알콜으로 대체하고 활물질 실리콘합금 : 카본 = 8.9 : 1.1 중량비로 변경하하고, 전극 조성비를 실리콘 합금-카본 복합체 : 도전제 : 바인더 = 90 : 2 : 8 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 실시예 4와 같다. 전극제조 공정은 전극의 진공건조 온도는 150 미만으로 한 것 외에는 [실시예 1]과 동일하다.In Example 4, the binder was changed to a polyamide-imide polyvinyl alcohol and an active material silicon alloy: carbon = 8.9: 1.1 weight ratio, and the electrode composition ratio was changed to silicon alloy-carbon composite: conductive agent: binder = 90 : 2: 8 weight percent. &Lt; tb &gt; &lt; TABLE &gt; The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1] except that the vacuum drying temperature of the electrode is less than 150.

[비교예 8][Comparative Example 8]

실시예 4에서 활물질 실리콘합금 : 카본 = 8.9 : 1.1 중량비로 하고, 바인더를 카르복시메틸셀룰로즈+스타디엔부타디엔 고무(비율 6:2)로 하여 전극 조성비를 실리콘 합금-카본 복합체 : 도전제 : 바인더 = 90 : 2 : 8 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 실시예 4와 같다. 전극제조 공정은 전극의 진공건조 온도는 150 미만으로 한 것 외에는 [실시예 1]과 동일하다.Carbon composite: conductive agent: binder = 90 (weight ratio) was used in Example 4, and the ratio of the active material silicone alloy: carbon = 8.9: 1.1 weight ratio and the binder was carboxymethyl cellulose + stadiene butadiene rubber : 2: 8 weight percent. &Lt; tb &gt; &lt; TABLE &gt; The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1] except that the vacuum drying temperature of the electrode is less than 150.

[비교예 9][Comparative Example 9]

실시예 4에서 활물질 실리콘합금 : 카본복합체 = 8.9 : 1.1 중량비로 하고, 바인더를 폴리아미드이미드에 하이드록시프로필셀룰로즈를 중량비로 5.6 : 2.4로 하여 전극 조성비를 실리콘 합금-카본 복합체 : 도전제 : 바인더 = 88 : 4 : 8 중량퍼센트로 변화시킨 것 외에는 실시예 4와 같다. 전극제조 공정은 전극의 진공건조 온도는 150 미만으로 한 것 외에는 [실시예 1]과 동일하다.The ratio of the active material silicone alloy: carbon composite = 8.9: 1.1 by weight in Example 4 and the weight ratio of hydroxypropylcellulose to polyamideimide was 5.6: 2.4, and the electrode composition ratio was changed to silicon alloy-carbon composite: 88: 4: 8 weight percent. The electrode manufacturing process is the same as in [Example 1] except that the vacuum drying temperature of the electrode is less than 150.

실시예 4의 결과를 보면 바인더가 폴리아미드이미드일 때 실리콘 합금 함량이 55 중량퍼센트일 때는 전체적으로 초기효율 및 50회 사이클 수명은 약간 높았으나 초기용량이 낮게 나타났다. 그 이유로는 실리콘의 함량이 적음으로 인해 실제 이론용량에 못미치는 용량을 나타낸 것이라 사료된다. 한편 바인더양이 중량으로 4퍼센트 일때는 집전체와의 결착력 부족으로 인해 수명이 낮게 나타났다.The results of Example 4 show that when the binder is polyamideimide, when the silicone alloy content is 55 weight percent, the initial efficiency and the 50 cycle life are slightly higher, but the initial capacity is lower. The reason for this is considered to be the capacity below the actual theoretical capacity due to the low silicon content. On the other hand, when the amount of binder is 4% by weight, the life span is lowered due to lack of adhesion with the current collector.

음극활물질 중에 실리콘합금 양을 89중량퍼센트로하고, 나머지를 흑연으로 했을 때 음극조성 즉, 활물질 : 도전제 : 바인더의 조성비가 86~90 : 2~4 : 6~10 범위 일때 팽창율, 50사이클 수명 초기용량을 고려하면 바인더는 폴리아미드이미드이고 전극조성은 86 : 4 : 10이었다. 89중량퍼센트 실리콘합금과 11중량퍼센트 천연흑연으로 구성된 복합체에서 초기충전용량과 팽창률이 저감하는 바인더로는 폴리아미드이미드에 하이드록시프로필 셀룰로즈를 중량비로 5.6 : 2.4 첨가한 바인더이다.When the amount of the silicon alloy in the negative electrode active material is 89 weight percent and the remainder is graphite, when the negative electrode composition is in the range of 86 to 90: 2 to 4: 6 to 10 in the range of the active material: conductive agent: binder, Considering the initial capacity, the binder was polyamideimide and the electrode composition was 86: 4: 10. A binder composed of 89 weight percent silicon alloy and 11 weight percent natural graphite in which initial charge capacity and expansion rate are reduced is a binder to which polyamideimide is added with 5.6: 2.4 by weight of hydroxypropyl cellulose.

실리콘 합금 - 탄소 복합계에서 활물질과 바인더에 따른 초기효율, 팽창율, 사이클 수명 특성Initial Efficiency, Expansion Rate, and Cycle Life Characteristics of Silicon Alloy-Carbon Composite System with Active Material and Binder 시료sample 활물질Active material 도전제
(KB)
Conductive agent
(KB)
바인더bookbinder 충전용량(mAh/g)Charging capacity (mAh / g) 방전용량(mAh/g)Discharge capacity (mAh / g) 초기효율(%)Initial efficiency (%) 팽창율
(%)
Expansion ratio
(%)
50사이클 수명(%)50 cycle life (%)
실리콘-합금Silicon-alloy 실시예 4Example 4 88
(실리콘-합금:천연흑연=
55.45)
88
(Silicon-alloy: natural graphite =
55.45)
44 8(폴리아미드이미드)8 (polyamideimide) 749749 622622 8383 140140 85.385.3
비교예1Comparative Example 1 88
(실리콘-합금:천연흑연=
55.45)
88
(Silicon-alloy: natural graphite =
55.45)
44 10(폴리아미드이미드)10 (polyamideimide) 877877 702702 8080 -- 7272
비교예2Comparative Example 2 90
(실리콘-합금:천연흑연=
55.45)
90
(Silicon-alloy: natural graphite =
55.45)
44 6(폴리아미드이미드)6 (polyamideimide) 809809 711711 87.887.8 -- 6060
비교예3Comparative Example 3 92
(실리콘-합금:천연흑연=
55.45)
92
(Silicon-alloy: natural graphite =
55.45)
44 4(폴리아미드이미드)4 (polyamideimide) 542542 415415 76.576.5 8585 4444
비교예4Comparative Example 4 90
(실리콘-합금:천연흑연=
8.9:1.1)
90
(Silicon-alloy: natural graphite =
8.9: 1.1)
22 8(폴리아미드이미드)8 (polyamideimide) 10631063 911911 85.685.6 9494 80
(25회)
80
(25 times)
비교예5Comparative Example 5 86(실리콘합금 : 천연흑연 8.9:1.1)86 (silicon alloy: natural graphite 8.9: 1.1) 44 10(폴리아미드이미드)10 (polyamideimide) 10531053 879879 83.283.2 120120 92.9
(25회)
92.9
(25 times)
비교예6Comparative Example 6 90
(실리콘-합금:천연흑연=
9:1)
90
(Silicon-alloy: natural graphite =
9: 1)
44 6(폴리아미드이미드)6 (polyamideimide) 949949 787787 82.982.9 104104 70
(25회)
70
(25 times)
비교예7Comparative Example 7 90
(실리콘-합금:천연흑연=
8.9:1.1)
90
(Silicon-alloy: natural graphite =
8.9: 1.1)
22 8(PVA)8 (PVA) 944944 733733 77.677.6 106106 - -
비교예8Comparative Example 8 90
(실리콘-합금:천연흑연=
8.9:1.1)
90
(Silicon-alloy: natural graphite =
8.9: 1.1)
22 8(카르복시메틸셀룰로즈+스타디엔부타디엔고무)8 (carboxymethyl cellulose + stadiene butadiene rubber) 10661066 859 859 80.580.5 140140 --
비교예9Comparative Example 9 88
(실리콘-합금:천연흑연=
8.9:1.1)
88
(Silicon-alloy: natural graphite =
8.9: 1.1)
44 8(폴리아미드이미드:5.6, 하이드록시프로필셀룰로즈:2.4)8 (polyamideimide: 5.6, hydroxypropylcellulose: 2.4) 912912 674674 73.973.9 81.881.8 --

Claims (3)

실리콘 80wt%에 카본 20wt%를 혼합한 복합체 이차전지 음극 활물질에 첨가되는 바인더는 수계 저분자량 450,000인 폴리아크릴산과 카르복시메틸셀룰로즈로 구성되고, 상기 폴리아크릴산과 카르복시메틸셀룰로즈의 중량비는 6:2로 혼합하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 음극용 바인더.
The binder to be added to the composite secondary battery negative electrode active material mixed with 80wt% of silicon and 20wt% of carbon is composed of polyacrylic acid and carboxymethyl cellulose having an aqueous low molecular weight of 450,000, and the weight ratio of the polyacrylic acid and carboxymethyl cellulose is 6: Wherein the negative electrode is a negative electrode.
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